宽带低轨卫星网高效组播中的部分网络编码算法

通过引入逻辑位置的概念,将宽带低轨卫星通信网的动态网络拓扑等效为多个静态拓扑的循环更替。针对静态网络的高效组播,提出部分网络编码算法。该算法只在有编码增益的节点处进行网络编码,其它节点直接路由转发。从等效的多个静态网络拓扑中提取连接关系不变的恒定网络拓扑,提出在恒定网络拓扑中采用部分网络编码实施组播。该方法能克服拓扑变化引起的路由和编码方案频繁变换问题,对应的吞吐量约为组播树路由的2倍,且优于多径路由,组播目的节点数越多,优势越明显。算法对于链路的失效具有较好的健壮性。研究成果对提高宽带低轨卫星通信网的组播吞吐量和健壮性具有一定的理论意义和实用价值。     

Results of Kirari optical communication demonstration experiments with NICT optical ground station (KODEN) aiming for future classical and quantum communications in space

Bi-directional ground-to-satellite laser communication experiments were successfully performed between the optical ground station developed by the National Institute of Information and Communications Technology (NICT), located in Koganei City in suburban Tokyo, and a low earth orbit (LEO) satellite, the “Kirari” Optical Inter-orbit Communications Engineering Test Satellite (OICETS). The experiments were conducted in cooperation with the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), and called the Kirari Optical communication Demonstration Experiments with the NICT optical ground station (or KODEN). The ground-to-OICETS laser communication experiment was the first in-orbit demonstration involving the LEO satellite. The laser communication experiment was conducted since March 2006. The polarization characteristics of an artificial laser source in space, such as Stokes parameters, and the degree of polarization were measured through space-to-ground atmospheric transmission paths, which results contribute to the link estimation for quantum key distribution via space and provide the potential for enhancements in quantum cryptography on a global scale in the future. The Phase-5 experiment, international laser communications experiments were also successfully conducted with four optical ground stations located in the United States, Spain, Germany, and Japan from April 2009 to September 2009. The purpose of the Phase-5 experiment was to establish OICETS-to-ground laser communication links from the different optical ground stations and the statistical analyses such as the normalized power, scintillation index, probability density function, auto-covariance function, and power spectral density were performed. Thus the applicability of the satellite laser communications was demonstrated, aiming not only for geostationary earth orbit-LEO links but also for ground-to-LEO optical links. This paper presents the results of the KODEN experiments and mainly introduces the common analyses among the different optical ground stations.     

我国天基综合信息网构想

阐述了天基综合信息网的定义、组成和特征;介绍了美国和欧洲天基综合信息网的研究情况;提出了我国天基综合信息网的体系架构,其中包含通信卫星、导航卫星、遥感卫星、载人飞船等航天器和临近空间各种飞行器,以及地面系统。分析了该网络的特点和可用的网络协议结构;探讨了该网络的组网结构、网络协议、服务质量(QoS)路由、网络管理、网络安全防护、激光通信和星载处理交换等多项关键技术。依据国情,提出了我国天基综合信息网构想。此构想采用双层(地球静止轨道和低地球轨道)通信卫星星座和导航卫星星座,实现全球全时覆盖空间层航天器、临近空间层飞行器和地面层各种用户终端,通过星间链路、星地链路和地面线路组成一个空天地一体化的全球信息网络。在国外不设地球站的情况下,该网络可实现:国内测控站测控我国全球运行的卫星;国内遥感站实时接收我国全球遥感卫星发送的信息;国内关口站管理我国授权的全球用户站之间的互通信息。最后,提出了开展我国天基综合信息网的可行性研究建议。     

链路状态感知的低轨卫星网络路由机制

低轨卫星的空间组网能够突破地形限制,实现全天候、高带宽、低时延、广覆盖的数据通信,弥补地面通信系统的不足,使通信服务全球化成为可能。但是,卫星节点的快速移动和能量受限使得空间链路面临高动态、不可靠、间歇性等问题。同时接入用户的分布不均容易导致卫星网络出现重载节点和局部拥塞的情况,这对空间组网和数据传输提出了新的挑战。传统的静态卫星组网模式可靠性差,可伸缩性低,难以适应空间动态组网的需求。针对低轨卫星网络拓扑变化快的特点,提出链路状态感知的路由机制,在降低卫星能耗的同时减轻网络的局部拥塞,使用树莓派搭建半实物仿真平台,并在该平台上进行实验,验证了该机制的有效性。     

低轨巨型星座网络容量评估与分析

低轨卫星网络可以提供广覆盖、低时延、大容量的通信服务和随遇接入的网络服务,可有效弥补地面通信网络和高轨卫星网络的不足。近年来“星链”“一网”等星座项目推动了低轨巨型星座的飞速发展。卫星网络容量是网络性能评价的重要指标,传统方法计算复杂度高、耗时长,且计算开销随网络节点数迅速增加,在巨型星座网络评估中产生巨大计算开销。面向低轨巨型星座网络容量评估问题,提出了一种基于最大流的网络容量评估方法,与传统方法相比计算复杂度和计算耗时大大降低。以“星链”星座为例,分析了星座构型、星间链路拓扑连接方式、链路容量及用户需求量对巨型星座网络容量的影响。仿真分析结果对未来低轨巨型星座网络建设具有指导意义。     

低轨卫星通信系统地面核心网设计与仿真

文章针对无星际链路的低轨卫星通信系统，利用OPNET软件设计了低轨卫星通信系统在透明转发模式下的核心网构成，并进行了性能仿真。首先介绍核心网的构成、功能和拓扑，在此基础上实现了呼叫处理和切换的仿真，统计了呼叫时延、切换时延等性能指标，分析了仿真结果，为低轨道卫星通信系统的设计奠定了一定的参考价值。     

基于低轨卫星增强的非差高精度导航定位技术与在轨试验验证

随着自动驾驶、精密农业等领域的发展,各领域对高精度导航定位的需求不断增加。在地基增强技术、高轨星基增强技术和传统非差精密单点定位技术的基础上,提出了一种基于低轨卫星增强的非差高精度导航定位技术,研制了基于低轨导航增强技术的低轨导航增强载荷,开发了基于低轨卫星增强的地面自适应卡尔曼滤波非差高精度定位软件,并进行了全球首次基于低轨卫星的信号信息一体化导航增强在轨试验。试验表明:经低轨卫星增强后,地面终端用户定位精度优于30 cm。最后,给出了该技术的后续研究方向,为未来低轨导航增强系统与其他增强系统协同工作,实现广泛应用奠定了基础。     

基于移动式网络的LEO卫星星座通信网络研究

为飞机等交通工具内的用户提供基于卫星的不间断IP连接，并在卫星星座网络内实现IP路由选择功能，是未来LEO卫星星座通信网络需要解决的关键问题。提出了基于移动式网络技术的LEO卫星星座通信网络体系结构，实现了卫星星座通信网络中的IP路由选择功能，并降低了对地面网路的依赖，实现了对用户段网络随时随地的连接支持。在对卫星星座通信网络中的星地切换模式进行分析的基础上，提出了一种基于虚拟移动路由器的快速星地切换和认证方法。通过NS2仿真试验，给出了新型LEO卫星星座通信网络的传输延迟特性以及快速切换方法的仿真试验结果。仿真试验表明，提出的网络结构是满足未来卫星星座发展需求的，星地间的切换是低时延的。     

面向卫星通信系统的低成本超表面相控阵技术

低轨通信卫星系统因其传输延迟小、通信容量大、发射运营成本低等优势,受到了国内外的广泛关注。然而,低轨通信卫星技术的发展对星载天线系统提出了挑战。为提高卫星星座的通信容量以及实现对用户的跟踪覆盖,波束扫描、波束可重构及多波束覆盖不可或缺。在低成本建设运营的背景下,迫切地需要一种低成本的天线系统方案。作为一种低成本新型相控阵技术,综述了超表面相控阵天线技术及其在波束调控中的应用。首先对超表面天线波束形成的方法进行了简单的研究,之后介绍了超表面电磁调控的机理以及实现可重构的手段,最后介绍了超表面相控阵天线在波束形成、波束扫描、多波束产生中的应用。该技术相较于传统相控阵技术,大幅降低了成本,且在电磁波极化、频率调控中展现出巨大的灵活性。通过对该技术的综述,展望了超表面相控阵在低轨通信卫星中的应用。     

全球卫星搜索与救援系统的现状与未来

全球卫星搜救系统(COSPAS-SARSAT)在海事搜救和飞机救援等领域已经发挥了巨大的作用。文章旨在对已有的低轨道(LEO)和静止轨道(GEO)系统的工作原理进行分析,并与建设中的中轨道(MEO)系统比较,以得出中轨道系统的优势,并对全球卫星搜救系统的未来发展进行分析。     

适于LEO卫星IP网络的源组播算法

为了解决LEO卫星IP网络中现有源组播算法的信道资源浪费问题，提出了一套新的组播算法。即基于核心群的特定源组播（CSSM）算法和加权的CSSM（ω-CSSM）算法。CSSM算法以源节点作为初始核心群，通过核心群和剩余组成员的最短路径方法逐步扩展直至整棵组播树构建完成，这样所得的树代价最小，从而大大提高了网络的传输带宽利用率和有效传输容量。在ω-CSSM算法中，所提出的加权因子可以调整组播树的树代价和端到端传播时延之间的折衷程度，因此，可以通过调整加权因子柬适度增大树代价、降低端到端传播时延，从而支持某些有严格端到端时延要求的实时组播业务。通过与LEO卫星IP网络中典型源组播算法MRA的仿真比较，可以看出CSSM和ω-CSSM算法的树代价性能比MRA有显著改善，而端到端传播时延略高。     

采用改进非支配近邻免疫算法的低轨混合星座设计优化

针对低轨同构星座覆盖资源在纬度上分布不均匀的不足,提出采用低轨混合星座提升覆盖均匀性的设计方案,并推导了满足全球任意点平均每天覆盖一定次数的最小卫星规模估算公式。针对非支配近邻免疫算法（NNIA）约束处理方面的不足,提出基于约束支配的改进非支配近邻免疫算法（Modified NNIA）,并以此设计了一种低轨混合星座优化平台来优化带约束的星座设计问题。仿真结果表明,改进的NNIA算法在收敛速度和多样性上均优于非支配分层遗传算法（NSGA II）和多目标粒子群算法（MOPSO）,可大大提高星座设计的效率。同时优化结果也表明低轨混合星座可提高覆盖的均匀性和大部分区域的覆盖次数,进而减少特定覆盖要求所需的卫星数目。     

基于改进粒子群算法的混合卫星星座优化设计

对用低轨子星座和椭圆轨道子星座组成的混合卫星星座实现不均匀覆盖进行了研究。给出了低圆轨道和椭圆轨道的设计方法和计算模型。基于对传统粒子群算法的改进,提出了一种自适应变异与非线性单纯形法综合的高效粒子群优化算法对星座进行优化设计,并给出了设计的某混合卫星星座的整体构型。分析结果表明:该法明显优于遗传算法和传统粒子群算法。     

区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座优化设计

针对区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座,提出了一种改进遗传算法(GA)的优化设计。根据改进的区域覆盖星座模型,采用可变维数优化的整数与实数混合的染色体编码。给出了算法步骤。某区域覆盖低轨卫星移动通信系统星座优化设计算例结果显示了该算法的有效性。     

基于星间无线电测距的卫星自主定轨与导航

提出了在空间数据链中基于星载无线电测距实现低轨卫星的自主定轨方法。通过星上天线发送和接收网内其他卫星的通信数据，从中获取相互间的距离信息，应用推广Kalman算法确定卫星的位置和速度，实现卫星间的互相定位。以铱系统为背景，针对所提出的两种不同组网方式进行了具体的仿真，并与GPS定轨相比较，得出了几点结论。     

Orbital data gathering system: Comparative analysis between microwave and optical solutions

This paper describes the Pointing, Acquisition and Tracking (PAT) systems for both microwave and optical links for high data rate transmission between Low Earth Orbit (LEO) satellite and Geostationary Earth Orbit (GEO) relay satellite. It points out the advantages, drawbacks and critical technologies of each tracking and acquisition systems.     

低轨星座多波束相控阵天线研究进展与发展趋势

多波束相控阵天线是一种利用波束形成网络,同时实现多个独立的高增益波束的多波束天线,具有高灵活性和宽角度扫描等优点,是低轨通信卫星系统的核心载荷之一。旨在针对应用于低轨星座的星载多波束相控阵天线进行归纳和分析。对低轨星座多波束相控阵天线的发展历程、波束形成技术、关键技术进行了介绍,并对低轨星座多波束相控阵天线的未来发展趋势进行了分析,为我国未来低轨卫星星座建设提供技术参考。     

LEO卫星电源系统拓扑研究

基于30个近地轨道（LEO）卫星任务及其电源系统应用情况,在系统层面上对5种电源系统拓扑进行了分析比较,包括配置方式、控制原理、效率及器件等。针对功率调节性能和器件组成规模,选择配有最大功率点跟踪（MPPT）的升一降压调节器（B2R）作为多适用的电源系统拓扑。此系统适应LEO卫星需求,属于拓扑用途广泛的电源系统,可通过合理配置热备份的功率调节模块来实现功率组合及可靠性设计,具有较高的兼容性,能够满足中国LEO卫星任务需求。     

低轨对地观测卫星凝视成像仪探讨

文章介绍了典型空间信息获取方式及特点,阐述了低轨对地观测卫星凝视成像面临的问题及解决对策,对两种低轨对地观测卫星凝视成像仪及其应用进行了探讨。     

利用随机森林算法的卫星控制系统故障诊

针对卫星姿态控制系统存在闭环控制，外部干扰强，进而影响故障诊断准确性和实时性的问题，提出了一种利用随机森林算法的卫星姿态控制系统姿态敏感器和执行器故障诊断方法。首先，采集不同故障情形下卫星姿态控制系统的输入输出数据，进行特征提取。随后通过随机有放回抽样划分训练集和测试集，建立基于随机森林算法的故障诊断模型。利用生成的随机森林模型，对实时输入输出数据进行分类，实现卫星姿态控制系统的故障诊断。利用卫星姿态控制系统半物理仿真平台的数据进行实验，对比实验结果表明：本文所提方法可以实现故障高精度分离，并具有更好的实时性，适用于卫星姿态控制系统的故障诊断问题。